Hola descubridores y descubridoras de la química,
Vamos a seguir con esta ampliación de cada una de las ramas de la química como os comenté en la entrada de química analítica.
Hoy nos vamos a centrar en la química-física o físico-química, la cual se puede definir de distintas maneras:
1) Parte de la química que tiene como objetivo principal investigar el funcionamiento de la naturaleza.
2) Parte de la química que usa métodos físicos.
3) Parte de la física que se preocupa de la química.
Alcanza su madurez en 1887 cuándo se publica la Zeitschrift für physikalische chemistry, la primera revista dedicada a química-física. Es una rama importante para la química ya que las demás ramas de la química necesitan su apoyo para poder explicarse, además es también muy importante en física, biología y geología.
Dentro de la química-física hay distintas ramas. Estas son: la química cuántica, la espectroscopía, la termodinámica, la termodinámica estadística, la electroquímica y la cinética química.
QUÍMICA CUÁNTICA
Antiguamente se pensó que el movimiento de los átomos y de las partículas subatómicas podría ser explicado mediante la mecánica clásica (las leyes de Newton introducidas en el siglo diecisiete, que servían para explicar el movimiento de los objetos cotidianos y de los planetas).
Sin embargo, a finales del siglo XIX se demostró experimentalmente que la mecánica clásica no es válida cuando es aplicado a partículas tan pequeñas como los electrones y los núcleos de los átomos y las moléculas. El comportamiento de estas partículas está regido por un conjunto de leyes denominado mecánica cuántica.
La aplicación de la mecánica cuántica a los problemas de la química constituye la Química Cuántica. La influencia de la química cuántica se manifiesta en todas las ramas de la química. Los químicos-físicos utilizan la mecánica cuántica para calcular (con ayuda de la mecánica estadística) propiedades termodinámicas (por ejemplo, la entropía, la capacidad calorífica) de los gases; para interpretar los espectros moleculares, lo que permite la determinación experimental de propiedades moleculares, lo que permite la determinación experimental de propiedades moleculares (como longitudes de enlace y ángulos de enlace, momentos dipolares, barreras de rotación interna, diferencias de energía entre isómeros conformacionales); para calcular propiedades moleculares teóricamente; para calcular propiedades de los estados de transición de las reacciones químicas, lo que permite estimar las constantes de velocidad; para comprender las fuerzas intermoleculares; y para estudiar el enlace en los sólidos.
Los químicos orgánicos usan la mecánica cuántica para estimar las estabilidades relativas de las moléculas, calcular las propiedades de los intermedios de reacción, investigar los mecanismos de las reacciones químicas y analizar los espectros de RMN.
Los químicos analíticos utilizan de forma habitual los métodos espectroscópicos. Las frecuencias y las intensidades de las líneas de un espectro sólo pueden entenderse e interpretarse adecuadamente mediante el uso de la mecánica cuántica.
Los químicos inorgánicos usan la teoría del campo ligando, un método mecanocuántico aproximado para predecir y explicar las propiedades de los iones complejos de los metales de transición.
El gran tamaño de las moléculas biológicamente importantes hace que los cálculos mecánico cuánticos de las mismas sean extremadamente difíciles. Sin embargo, los bioquímicos han conseguido sacarle partido a los estudios mecanocuánticos de conformaciones de moléculas biológicas, de enlaces enzima-substrato y de solvatación de moléculas biológicas.
Actualmente, se han creado programas para realizar cálculos químico-cuánticos moleculares. Cálculos que hacerlos a mano podrían llevar años, en cuestión de unas horas, a veces incluso de minutos, tecleando una serie de comandos puedes obtener el resultado. Entonces, aparece otra rama de la química-física, que es una hermana gemela de la química cuántica que es la química computacional.
ESPECTROSCOPÍA
La espectroscopía es la rama de la química-física que estudia la emisión o absorción de radiación electromagnética por parte de la materia. También estudia la dispersión de la luz y la rotación del plano de polarización que producen las sustancias ópticamente activas.
Proporciona la mayor parte de la información sobre los niveles energéticos en átomos y moléculas. Esta información se obtiene mediante el estudio de la absorción y emisión de radiación electromagnética por parte de la materia. Un espectro es como la huella dactilar de un elemento, o de una molécula; teniéndolo podemos saber de que átomo o molécula se trata.
Tiene aplicación en todos los campos de la química:
-Permite la determinación de ángulos, longitudes de enlace, conformaciones y frecuencias de vibración en moléculas.
-La química orgánica emplea la espectroscopía de resonancia magnética para determinar la estructura de compuestos orgánicos.
-En la cinética se emplean métodos espectroscópicos con el objetivo de conocer la variación de un reactivo o producto en el tiempo.
-La química analítica emplea la espectroscopía para determinar la composición de una muestra.
El espectro de un compuesto es el reflejo de la estructura de niveles de energía cuantizados que tienen sus átomos o moléculas. Para entender cómo emerge la cuantización de la materia al descender a la escala microscópica es necesario utilizar la Mecánica Cuántica.
TERMODINÁMICA
La termodinámica es una ciencia macroscópica cuyo desarrollo fue debido a la revolución industrial. La palabra termodinámica fue usada por primera vez por William Thompson (más tarde Lord Kelvin) en 1958 y proviene de dos palabras griegas.
La termodinámica es una ciencia que describe procesos que implican cambios de temperatura e intercambio de energía. Estudia las relaciones entre calor y trabajo. Es una ciencia macroscópica. A pesar se esto, el significado físico de algunos de los conceptos que introduce se pueden entender mejor si se explican desde el punto de vista microscópico, por lo que a veces da también una interpretación microscópica.
TERMODINÁMICA ESTADÍSTICA
La termodinámica es una consecuencia de lo que ocurre a nivel microscópico (molecular). Los niveles microscópicos y macroscópicos se relacionan mediante una rama de la ciencia que se denomina termodinámica estadística.
El ejemplo más sencillo de termodinámica estadística es la teoría cinética de los gases. En esta teoría se considera que:
-Los gases están formados por moléculas o átomos que tienen una energía cinética media que es proporcional a la temperatura del gas.
-La presión del gas aumenta al aumentar la temperatura porque aumenta la velocidad media de las moléculas del gas y por tanto el número de colisiones con las paredes por unidad de tiempo y disminuye al aumentar el volumen del gas porque la distancia media entre las partículas aumenta y el número de colisiones por unidad de tiempo con las paredes disminuye.
Ahora, antes de explicar las dos ramas de la química-física que nos quedan, vamos a hacer una pequeña reflexión sobre estas cuatro ramas de la química-física de las que os acabo de hablar: la química cuántica, la espectroscopía, la termodinámica y la termodinámica estadística.
El estudio de las propiedades de un sistema se puede abordar, tradicionalmente, desde dos puntos de vista diferentes y complementarios:
Microscópico
Tratar el sistema a partir del comportamiento de cada una de las partículas que lo constituyen. Esta descripción del cosmos sería posible mediante la mecánica cuántica. Estos conocimientos son aplicados por la espectroscopía.
Macroscópico
Considera la materia como algo carente de estructura interna. El sistema objeto se considera como un todo sometido a posibles transformaciones. Esta es la explicación proporcionada por la termodinámica.
Como lo que ocurre a nivel macroscópico es consecuencia de lo que ocurre a nivel microscópico, es necesaria una ciencia que relacione ambas cosas y surge la termodinámica estadística.
Ahora, cerramos este paréntesis y procedemos a explicar las dos ramas de la química-física que faltan.
ELECTROQUÍMICA
La electroquímica es la relación entre la electricidad y las propiedades químicas. Es una rama particularmente importante en la química-física. Ya que todos los conceptos desarrollados por ella tienen aplicaciones industriales, por ejemplo, la obtención del hidrógeno por electrólisis; en el método Moissan para obtener flúor; y para obtener cloro. La electroquímica aplica muchos conceptos de la termodinámica, como por ejemplo el de potencial químico y el de energía libre de Gibbs.
CINÉTICA QUÍMICA
La cinética química es la parte de la fisicoquímica encargada del estudio de las velocidad de reacción, y de como esta se modifica bajo ciertas variables (temperatura, presión, difusión, fenómenos de superficie).
La cinética de las reacciones químicas es la parte de la química que se encarga del estudio de la rapidez con la que tienen lugar las reacciones, uno de los temas más importantes en cualquier proceso químico. Además de cómo modificar esa velocidad de reacción (según las condiciones), o bien hacerla más rápida, o bien hacerla más lenta.
Se puede decir, que la termodinámica se encarga de estudiar si las reacciones van a producirse o no y que la cinética química, una vez que se sabe que esa reacción se produce estudia su velocidad y todos los factores que hacen esta velocidad determinante.
Con respecto a lo qué se da en la carrera en química-física, decir que, por lo menos en la Universidad de Santiago de Compostela tienes una asignatura de química física dedicada a cada rama de esta, menos la termodinámica estadística y la electroquímica que se ven en una misma asignatura. De electroquímica además se ven conceptos en otras asignaturas como son la química general, química inorgánica y química analítica. Para esta asignatura es necesario tener claros conceptos de física (aprovechar el tiempo en la física de primero puede facilitarte mucho las cosas) y requiere gran paciencia y práctica con las matemáticas (sobre todo con todo lo referente a derivadas, integrales y logaritmos).
Bibliografía:
- Química Cuántica. Ira N.Levine. Editorial Prentice Hall.
- www.quimicafisica.com [consultado 3 de marzo de 2020].
- Apuntes de química-física III del grado en química en la USC.
- Apuntes de química-física IV del grado en química en la USC.
- Espectroscopía. Requena A, Zúñiga J. Editorial Prentice Hall 2.003.
- Química inorgánica descriptiva. Rayner-Canham G. Editorial Prentice Hall. 2.000.
- Química-física. Atkins · De Paula. Editorial Panamericana. 2.008.
- The world of physical chemistry. Keith J. Laider. 1993
Descubrirlaquimica. Graduada en Química por la USC. Exalumna Colégio Sagrado Corazón de Pontevedra.
8 de Marzo de 2020
